Control de procesos biológicos, la clave del éxito

En el 5000 a.C. los egipcios comenzaron a producir alimentos y bebidas fermentadas. En la actualidad los procesos como la fermentación se usan cada vez más en la industria farmacéutica, agrícola y de alimentos, entre otras. Esos procesos industriales en los que intervienen microorganismos como bacterias u hongos se llaman bioprocesos.

Uno de los muchos usos que tienen los bioprocesos es para la elaboración de bioinsecticidas. Bacillus thuringiensis (Bt) es una bacteria Gram positiva aeróbica, morfológicamente relacionada con Bacillus cereus y Bacillus anthracis. A diferencia de estas últimas, tiene un cuerpo paraesporal conocido como cristal, que es de naturaleza proteica y tiene propiedades insecticidas capaces de combatir algunas plagas que afectan los cultivos como mariposas, polillas, moscas y mosquitos, escarabajos u orugas, según la cepa bacteriana que se use.Este producto representa una alternativa ecológica a los plaguicidas tradicionales, nocivos para el medio ambiente.

“En condiciones favorables del medio de cultivo, la bacteria presenta la fase de crecimiento vegetativo en la que los microorganismos se duplican por bipartición. Luego, cuando se produce un agotamiento de la fuente de alimento la bacteria comienza con su fase de esporulación. La espora es una forma de vida latente que puede permanecer en el ambiente por períodos de tiempo muy largos y  que le permite sobrevivir en ese medio al que le faltan nutrientes. Bt produce un cristal proteico constituido por proteínas denominadas δ-endotoxinas o proteínas Cry. Las proteínas insecticidas se acumulan en la célula madre durante el proceso de esporulación, pero se pueden aislar y cuando se produce la ruptura de la pared celular, se pueden recuperar toxinas proteínicas que se usan para formular los bioinsecticidas. En esta área, nos dedicamos al control del proceso, fundamentalmente mientras se produce el crecimiento de la bacteria, con el fin de optimizar la producción de toxinas”, explica la Dra. Adriana Amicarelli, investigadora asistente del CONICET en el Instituto de Automática (INAUT, CONICET-UNSJ).

Al igual que en cualquier tipo de industria, las que utilizan biotecnología para desarrollar sus productos buscan optimizar el desempeño y productividad. Para ello, es fundamental el control de los bioprocesos que ocurren en la planta y esto se logra a través del modelado matemático y la simulación computacional de todas las etapas de producción. Amicarelli trabaja en el modelado del proceso, la estimación de variables no medibles y el control de una planta que produce δ-endotoxinas a partir de Bacillus thuringiensis ubicada en la ciudad de Medellín, Colombia.

La investigadora aclara que trabajan en la planta a escala piloto. Realizan estimaciones valiéndose de variables mesurables en línea, como oxígeno disuelto, pH, concentración de sustrato, entre otros, a partir de las cuales pueden inferir otras que se no pueden medir en línea como la biomasa. La concentración de biomasa,  es de suma importancia porque es en si misma el producto principal del proceso y de ella depende la “cantidad” de toxinas que se produzcan. Si se pierde biomasa por condiciones del proceso, se pierde productividad.

“En cuanto a modelado se refiere, pretendemos seguir completando y mejorando las dinámicas involucradas en el modelo de Bt para optimizar la producción del bioinsecticida. Luego, proponer estimadores de estados que mejoren el desempeño de los ya diseñados y controladores robustos a perturbaciones o dinámicas no modeladas. Por  ejemplo,  el proceso tiene un agregado de antiespumante, que si bien es necesario para el normal funcionamiento, perjudica otras variables y constituye lo que llamamos una perturbación no medida que se ve reflejada en los datos experimentales obtenidos. El antiespumante particularmente, produce una caída en el oxígeno disuelto en el medio, que dependiendo de su magnitud genera o no una pérdida en la concentración de bacterias porque son estrictamente aeróbicas”, advierte Amicarelli.